5.15 中國暗物質與暗能量研究五至十年展望
暗物質和暗能量的研究是當前基礎物理研究最前沿的方向之一，突破性的重要進展將極大促進我們對物質世界的微觀結構以及宇宙演化的理解。
在2015年7月的香山科學會議上，一批從事這方面科研以及一批感興趣的科學家討論了未來5至10年我國在暗物質暗能量研究方面可能的規劃和布局，建議依託錦屏地下實驗室進行更大規模的暗物質直接探測實驗，並開展衛星暗物質間接探測實驗，力爭在暗物質研究方面達到世界領先水平。同時建議在西藏阿里地區進行宇宙微波背景輻射觀測，並通過空間站和地面望遠鏡進行深空巡天觀測，從而實現對暗能量的深入研究。
對暗物質和暗能量的研究是當代基礎物理學最前沿的方向之一。天體物理和宇宙學的研究表明，暗物質和暗能量在宇宙的演化過程中起著重要作用，然而粒子物理標準模型中沒有給暗物質和暗能量的本質提供解釋。這預示著對於暗物質和暗能量進行實驗和理論上的探索將大大深化我們對微觀世界結構和宇宙演化的理解，並極有可能產生物理學基礎理論革命性的突破。
在對其進一步研究中，以下的問題急需得到回答：
1、暗物質是不是一種基本粒子?在實驗室中或通過衛星/空間站探測器是否能觀測到?
2、暗物質粒子能不能在高能加速器上產生?它們和標準模型粒子是如何相互作用的?如何證明它們就是天文觀測到的暗物質?
3、暗物質是如何決定星系團和星系的結構形成過程的?
4、我們已知的唯一的暗物質——中微子——的本性是什麼?是中性的Majorana費米子嗎?
5、暗能量的物理性質是什麼?狀態方程是什麼?
6、宇宙早期大爆炸產生的原始引力波信號能不能觀測到?
為了解答這些問題，國家需要規劃和設計相應的研究路線，針對各方面條件進行優化，以充分利用已有的技術和資源，和世界上其他的研究團隊進行競爭和合作，並最終在相關問題的研究中獲得突破進展。
一、國際研究和規劃現狀
國際物理學界對暗物質和暗能量的研究相當重視，美國、歐洲和日本等國家和地區都進行了相應的規劃和布局。
2007年，美國自然科學基金會(NSF)、美國國家航空航天局(NASA)、美國能源部(DOE)聯合成立的暗物質研究評估小組，發布報告指出，宇宙裡面暗物質之謎的解決具有極特別的科學意義，並建議美國加大投入，以保持領先地位。
美國國家科學院發布的天文及天體物理2012至2021十年規劃中，暗物質和暗能量是主要的研究方向。2014年7月，DOE宣布將和NSF一起聯合支持第二代暗物質探測項目LZ，SuperCDMS-SNOLAB和ADMX-Gen2，其中LZ預期在2018年建成，其靈敏區域將包含7噸氙，到時候將是世界上最大的暗物質直接探測實驗。美國同時通過搭載於費米(Fermi)衛星上的大面積望遠鏡和位於國際空間站上的阿爾法磁譜儀(AMS-02)進行暗物質的間接探測。自20世紀80年代以來美國先後通過COBE衛星，WMAP衛星對宇宙微波背景輻射進行觀測，從而發現了暗能量的存在。從21世紀開始的斯隆數字巡天(SDSS)，暗能量巡天(DES)通過對超新星和弱引力透鏡的觀測，以試圖獲得更多關於暗能量的信息。暗能量譜儀裝置(DESI)、廣域紅外巡天望遠鏡(WFIRST)、大型綜合巡天望遠鏡(LSST)正在建造當中，以期在建成後能對暗能量進行更加精細的測量。
斯隆數字巡天用的望遠鏡（圖片來源：SDSS）
2008年，歐洲天體粒子物理聯盟所規劃的路線圖中，噸量級的暗物質直接探測實驗位於其所規劃的7個項目之首。歐洲方面對下一代暗物質實驗的支持主要是基於2噸級液氙的XENON1T和後續的6噸級別的XENONnT以及基於液氬的DarkSide-50，此外，20噸級的達爾文惰性氣體暗物質探測器(DARWIN)也在進行積極的預研。在暗能量方面，2009年發射的普朗克(Planck)空間觀測站已經完成了它的使命，並於今年年初給出了最新的宇宙學參數限制。歐洲下一步計劃在2020年發射歐幾里得(Euclid)航天器來精確測量宇宙膨脹，從而深入理解暗能量和暗物質。
建在義大利格蘭薩索地下實驗室的XENON1T（圖片來源：GranSasso）
2007年，日本成立了Kavli宇宙物理與數學研究所，暗物質與暗能量是其研究的重要課題。日本則正在為其昴星團望遠鏡(Subaru)升級HSC數字照相機，並成立了PFS合作組，以進行高精度的深空觀測，從而探索暗能量更多的細節。
二、國內規劃和研究現狀
國家對暗物質和暗能量的研究非常重視。國務院在2006年制定的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006~2020年)》裡面定義了8個基礎研究前沿領域，「暗物質和暗能量的本質」是「物質深層次結構和宇宙大尺度物理學規律」領域內的主要研究方向之一。
在中國科學院的戰略研究系列報告《中國至2050年重大交叉前沿科技領域發展路線圖》中，將暗物質和暗能量列為可能實現革命性突破的4個基本科學問題的第一位。該路線圖裡面提到「揭開暗物質、暗能量之謎，將是人類認識宇宙的又一次重大飛躍，可能導致一場新的物理學革命。為此，需投資建設幾項關鍵性的探測暗物質、暗能量的重大實驗裝置，包括地下和太空的粒子探測器和在南極建立大口徑天文望遠鏡，以取得第一手實驗數據，在國際競爭中處於主導地位。」
2008年，由中國科學院牽頭，中國科學家團隊制訂了一個「上天入地到南極」的暗物質和暗能量探測的發展路線圖，其中「上天」指暗物質探測衛星，「入地」指四川錦屏地下暗物質探測，「到南極」指在南極崑崙站建設大型天文望遠鏡來探測。這些項目得到了積極的推進，並取得了豐富的成果。
2009年，名為「暗物質的理論研究及實驗預研」的國家重點基礎研究發展計劃(「973」項目)得到了科技部批准，中國科學院多個研究所及多所教育部直屬大學參與其中。
該項目的成功實施取得了豐碩的理論和實驗研究成果，位於錦屏地下實驗室的暗物質直接探測實驗以及暗物質衛星實驗都得到了該項目的支持。
最引人注目的實驗進展來自於錦屏地下實驗室的暗物質直接探測項目中國暗物質實驗(CDEX)和粒子物理和天體物理氙探測器(PandaX)。CDEX合作組使用點電極高純鍺探測器來探測輕質量區域的暗物質。2013年，CDEX發表了首批低質量區域暗物質直接探測結果，這也是中國在暗物質直接探測方面從無到有的一個突破進展。2014年底，該合作組發表了國際同類型實驗里10 GeV以下能區靈敏度最高的實驗結果，確定性地排除了美國同類型實驗CoGeNT實驗組給出的疑似暗物質信號。
PandaX合作組使用基於液氙技術的探測器探測大質量區域的暗物質，是中國首個大型暗物質直接探測實驗，其首期實驗也能對部分輕質量區域的暗物質進行探測。2014及2015年，PandaX實驗組先後發表了基於17天數據的首批暗物質探測結果和基於首期實驗全部數據的分析結果，這兩個結果對國際上其他實驗所發現的所有疑似暗物質信號都提出了強烈的質疑。
PandaX實驗設備
由中國科學院紫金山天文台、中國科學技術大學等單位合作研發的暗物質粒子探測器(DAMPE)衛星於2015年年底發射，通過探測來自宇宙空間的高能伽馬光子、電子以及質子，以實現對宇宙空間中的暗物質的間接觀測。基於未來的中國空間站的高能宇宙輻射探測裝置(HERD)也處於積極的研發中，並取得了相當的進展。
暗物質粒子探測器(DAMPE)衛星
在暗能量研究方面，LAMOST開始了銀河系內觀測，但是由於所處地理位置的關係，實現大範圍巡天還有困難。南極的天文觀測KDUST進入了「十二五」規劃，但是由於種種原因未能立項。觀測中性氫產生的21厘米輻射的項目21CMA在進行中，天籟計劃還在進行原理驗證。空間站大規模光學巡天項目完成了前期的論證工作，目前正在解決巡天相機所需要的關鍵技術。
此外，國內的研究單位在暗能量研究方向參與了廣泛的國際合作。中國科學院國家天文台等單位參與了SDSS四期、重子振蕩光譜巡天(BOSS)、擴展重子振蕩光譜巡天(eBOSS)、CFHTLenS弱引力透鏡巡天實驗等國際合作項目，力圖通過天文觀測手段對暗能量的物理性質進行限制。
三、未來五至十年展望
在過去的幾年裡面，我國科學家在暗物質和暗能量的研究中實現了跨越式的發展，取得了重要的成績，形成了若干在國際上有競爭力的研究隊伍。這些基礎讓我們跟上了國際前沿研究的步伐，並在某些方面能夠和國際上最高水平一較高下。我們認為，我國應該在已有的基礎上，迅速開展先進探測技術的研發，在5至10年內完成一系列互相關聯的探測項目，使中國的暗物質和暗能量研究能夠有機會做出引領世界的貢獻。
▋在暗物質探測方面，近年來高純鍺探測器和惰性氣體探測器技術的發展使得暗物質探測的靈敏度得到了快速的發展，基於液氙探測器的XENON100實驗和LUX實驗在大部分暗物質質量區域內給出了最為嚴格的暗物質與普通物質反應截面上限，基於高純鍺技術的SuperCDMS實驗在低質量區域給出了最好的結果。下一代的暗物質直接探測實驗的主流將是使用100 kg級別的高純鍺和噸級的惰性氣體探測器，有望將現有的探測靈敏度提高到一到兩個數量級。而十年時間內，更大質量的探測器有望探索到中微子本底區域。
LUX-ZEPLIN實驗示意圖
建設中的錦屏地下實驗室二期為進行下一代的暗物質直接探測實驗提供了良好的實驗環境，我們在暗物質直接探測方面積累了人才和技術儲備，因此需要抓住這個機會，將相應的研究推向深入，力爭在5至10年內做出有價值的成果。在暗物質探測方面，提出建議如下。
1. 利用錦屏地下實驗室，進行暗物質粒子的終級探測。其中可選的實驗包括:20~30噸級的液氙實驗，用於探測大質量暗物質粒子；1噸級的高純鍺實驗，以探測輕質量暗物質粒子;通過國際合作的方式進行300噸級的液氬實驗。
中國錦屏地下實驗室示意圖
2. 發射暗物質探測衛星DAMPE，間接探測暗物質。
3. 參與暗物質探測的國際合作，例如，參與AMS-02，基於液氬的Darkside，基於液氙的LZ等實驗，以吸收先進技術及分享項目經驗;參與大型強子對撞機(LHC)實驗，研究可能產生的輕質量暗物質粒子;參與法國MIMAC暗物質方向性探測實驗，以實現對可能發現的新信號是否屬於暗物質的檢驗。
▋在暗能量研究方面，對其性質的研究將是未來一段時間內主要的研究方向，另外研究的熱點是區分修改引力和廣義相對論宇宙學。暗能量研究的方法主要通過超新星觀測、宇宙大尺度結構觀測和弱引力透鏡觀測。暗能量的研究可能在5至10年內出現突破進展，五年內可能在高置信水平上發現暗能量動力學。國際上大部分重大實驗將在2020年前後開始運行，為此我們建議如下。
1. 利用空間站開展大規模光學巡天項目，通過大天區深度成像等方式來進行暗能量動力學性質研究。空間站多色成像與無縫光譜巡天在國際同期項目中像質最好，覆蓋天區最廣，近紫外波段極具特色，兼具成像與光譜觀測能力，有很強的競爭力，同時在觀測上與其他項目互補，有望實現前沿領域的重大突破。
2. 在西藏阿里地區建設宇宙微波背景輻射觀測望遠鏡，實現對宇宙原初引力波的精確探測，並實現對暗能量狀態方程的測量。西藏阿里觀測站是北半球最佳觀測台址，經過十餘年的發展建設已經較為成熟。北半球的觀測空白是我國率先開展相關實驗的極好歷史機遇。
中國國家天文台阿里觀測站
3. 在新疆紅柳峽地區開展21厘米天文學(天籟計劃)的研究。
4. 在南極崑崙站開展KDUST巡天望遠鏡觀測，通過觀測超新星來研究暗能量的性質。
5. 參與國際暗能量方面的合作，參與SDSS四期，DESI，LSST，Euclid等項目。
以上的終極規劃讓我們能夠全面探索(高質量和低質量)暗物質可能存在的參數空間，發現或排除暗物質。如果能看到疑似信號，則可以利用液氙、高純鍺和液氬實驗相互驗證，確定暗物質粒子性質。我們還可能實現暗能量研究的突破，通過發現原初引力波，檢驗極早期宇宙暴漲理論，通過測量極化旋轉角，檢驗CPT對稱性，並能夠精確測量暗能量密度及狀態方程。
四、今後五年建議建設重點
以上建議項目的建設和運行需要綜合考慮科學目標、國際競爭力和技術可行性。而在今後5年期間，建設的重點應該放在可能做出有價值的科學發現的項目上。
中國錦屏地下實驗室正在進行二期的擴建。擴建後實驗室將有13萬立方米的探測空間，是世界上埋深最深、空間最大的地下實驗室。這個實驗室的建成將極大地推動中國和世界的暗物質地下直接探測。
基於液氙探測技術的LUX實驗目前在大部分暗物質質量區域給出了最好的結果，因此我們建議在前5年開展2~3噸的液氙暗物質探測實驗，與歐洲XENONnT和美國LZ進行直接競爭，並能夠為終極20~30噸液氙暗物質探測實驗提供技術積累。
根據PandaX合作組的經驗，二相型液氙探測器在做大的同時會遇到一些重要的瓶頸問題，包括漂移電場難以達到實驗的強度和液面上的空間電荷積累引起大量的電子本底信號。因此，諸如美國的7噸級的LZ實驗直接使用傳統技術，存在著一定的風險。在完成PandaX二期500公斤級實驗的基礎上，再把探測能力提升4~6倍，是一個比較切實可行的方案。在今後的5年時間內，一個高水平的2~3噸級實驗無論在速度上還是探測靈敏度上都有一定的國際競爭力。
PandaX同時計劃開展噸級的單相型實驗，包括高壓氣體和液體實驗。單相液體探測器將利用電子在液體強電場中的正比發光來測量電子信號，從而擺脫兩相型實驗所需要的氣液界面正比發光。在單相液體實驗中能夠利用多模塊的電子漂移室降低對漂移電場的需求，通過降低電子學雜訊來對更小的電離信號進行觸發。單相的氣體探測器不但可以用來探測暗物質和它運動的方向性，還可以用來探測136Xe無中微子雙貝塔衰變。中微子是我們唯一知道的暗物質粒子，但它是否是完全中性的Majorana粒子必須通過無中微子雙貝塔衰變實驗來驗證。肯定的結果將導致輕子數不守恆的發現，為解釋宇宙中為什麼物質多於反物質提供了重要線索。
我們建議同時開展200公斤級高純鍺半導體探測項目，和美國的SuperCDMS計劃進行競爭。爭取5至10年內提前探測至中微子本底極限，並開展76Ge無中微子雙貝塔衰變的研究。高純鍺探測器具有自身本底水平極低、探測器能量閾值低、探測器能量解析度高等特點，是當前國際上最具優勢的10 GeV以下低質量暗物質探測技術。當前理論研究指出，低質量暗物質粒子探測的重要里程碑是在10 GeV以下區實現10-45cm2的探測靈敏度，達到太陽中微子本底水平，實現終極探測。而要達到在輕質量區的終級探測，必須把鍺探測器做到噸級。高純鍺探測器的技術優勢就是模塊化，通過保證單個高純鍺探測器的性能來建設成百上千個相同的探測器單元，這樣噸級實驗技術是有保證的。CDEX合作組計劃在未來五年時間內，建設200公斤的高純鍺探測器陣列系統，將高純鍺陣列系統懸掛在直徑為12米左右的液氮低溫系統中，開展暗物質實驗研究。期間開展我國自主高純鍺晶體生長、自主高純鍺探測器研製、低溫低雜訊電子學前放研究、基於ASIC的前放主放數字化部分的集成電子學系統研製等方面的研究工作。
另外，需要迅速研發液氬探測技術，首先進行5噸級的技術驗證，從而爭取在10年內能夠建設成百噸級的液氬實驗，與終級液氙探測實驗進行印證。液氬是國際上另一種受到高度關注的惰性氣體探測技術。
一旦重質量暗物質在液氙探測器中被探測到，必須有一個獨立的探測靶子來進行驗證。中國科學院高能物理研究所的研究人員參與DarkSide暗物質直接探測的國際合作項目，以期在國際合作中學習技術與經驗，培養和發展掌握液氬探測器相關技術的後備人才，同時立足國內工業技術與發展現狀，獨立開展液氬探測器技術的研究以及進行基於液氬探測器的暗物質直接探測。
國際合作項目DarkSide-50的裝置示意圖
我們建議在西藏阿里觀測站開展一系列宇宙微波背景輻射觀測實驗，對其極化B模式進行高精度的測量，探測原初引力波的信號並研究暗能量的物理性質。宇宙微波背景輻射的地面觀測一直以來只有在南極和智利開展，可以觀測的天區有限，而未來十年沒有進一步的空間實驗項目實施。在北半球選擇合適台址實現宇宙微波背景輻射觀測的全天覆蓋成為下一代地面項目的發展目標。西藏阿里觀測站位於海拔5100米的高原上，具有海拔高、雲量少、水汽低、透明度高等優勢，是北半球最佳觀測宇宙微波背景輻射觀測台址，這是我國開展微波背景輻射觀測的歷史機遇。阿里項目的第一步計劃是建設一台小口徑高靈敏度望遠鏡，觀測大尺度宇宙微波背景輻射的B模式極化，實現北天區首次對原初引力波的精確探測。
同時，對一系列投入建設中的暗物質暗能量項目進行必要的科學研究支持，包括暗物質衛星探測項目、南極冰穹的KDUST項目、空間站光學望遠鏡巡天項目、天籟計劃和FAST望遠鏡等。
五、總結
在過去的幾年裡，中國本土的暗物質直接和間接探測方面的研究開始趕上世界的步伐，暗能量的追趕才剛剛開始。在「十三五」期間，規劃項目的順利實施將使我國暗物質、暗能量、原初引力波探測技術水平趕上和達到國際最好水平，有望取得突破性重大成果。以暗物質實驗推動世界級大型地下實驗室發展，為將來發展其他重要研究做好準備，特別是包括原子核雙貝塔衰變在內的中微子性質的研究。以暗能量推動中國天體物理的發展，以小工程推動大科學。同時，能讓我國掌握一系列先進探測核心技術，並在核技術、軍工、環保、材料等領域得到廣泛應用。
本文發表於《科學通報》2016年第61卷第11期
背景知識：
香山科學會議是我國科技界以探索科學前沿、促進知識創新為主要目標的高層次、跨學科、小規模的常設性學術會議。會議的宗旨是：創造寬鬆學術交流環境，弘揚學術民主風氣，面向科學前沿，面向未來，促進學科交叉與融合，推進整體綜合性研究，啟迪創新思維，促進知識創新。會議側重於探討科學前沿、展望未來發展趨勢、討論最新突破性進展、交流新的學術思想和新方法、分析新學科的生長點以及交叉學科的新問題。國內基礎研究的科學前沿問題和重大工程技術領域中的科學問題一般都會申請召開香山科學會議進行高層次的學術研討。
請您繼續閱讀更多來自 中科院之聲 的精彩文章:
研究得出印度大陸岩石圈在青藏高原中部陡角度俯衝撕裂三維地震學圖像央視紀錄片丨中科院「碳專項」在巴黎氣候大會穿不下褲子的黑洞怎樣看清太陽的臉？三維納米結構可控生長和性能調控研究獲進展
※展望：2017年9大最值得期待的生命科學研究領域！
※研究：2021年中國在線教育行業有望突破2.416億元
※日本匠人22年潛心研究 復活中國失傳700年的「曜變天目釉」
※研究：1997年迄今無人能超越 人類壽命極限是122歲
※研究81名韓國太監結果 壽命可以增加14至19年
※中國CDC研究稱：控制六種因素，至2030年可減少100萬國人英年早逝
※研究：英國脫歐將拉低2017年德國經濟增長率0.25個百分點
※2017年英國研究生六大留學條件
※2016年10月肺癌研究領域最新突破進展
※人類壽命上限是115歲？五國研究團隊齊刊文質疑 或能到150歲
※國際安全研究2017年第3期
※研究：人類平均壽命2030年將超越90歲 韓國最長壽
※超1.7億！7大生物醫學「重大研究計劃」2017年度項目指南出爐，最新一批申報開始
※1895年中英「藏哲勘界」研究
※2016年11月全球最新科學研究一覽
※《細胞研究》影響因子提升至15.606
※日匠人研究22年復活中國失傳700年瓷器瑰寶
※埃森哲研究：2035年，人工智慧可助中國經濟增速提高1.6個百分點
※2016年幹細胞研究最新進展